江戸時代に氷（冷凍機）を作る

質問

信長のシェフを見ていて突然、思ったのですが、もしあなたが江戸時代にタイムスリップしたとして、
真夏に氷を得たいと思ったとして、実現可能な手段は何でしょうか。
氷室に氷を貯蔵しておく、ではなくて、冷凍機を作ってください。
もちろん、使ってよいのは、江戸時代に手に入りそうな物だけです。（現在の知識は使ってもよい）

とりあえず、それなりに裕福な商家の旦那の道楽くらいの元手は使ってもかまいませんが、可能であれば、継続的に、氷を売って商売をしたいので、持続的に手に入りそうなものが原料・エネルギー源であるとベターです。

回答No.14

noname#195146

お礼、ありがとうございます。#2です。

>できるのは、固まりの氷ではなくて、よくて霜状の氷、おそらくは霜状の氷が微妙に混じった氷水

　まことに仰る通りかと、今さらながらに反省です。書きながら、「これは無理かなー」と思いつつ、投稿（回答レベルに達していない）してしまいました。

　改めて、バテレンの妖術を調べますと、我等が日本が氷調達に四苦八苦しているのをよそ目に、冷蔵から氷を含めた冷凍魔術を作り、さらに液体酸素などまでも得ております。畏るべし。

　産業革命があるとないとの差は、どうにも埋めがたいものがあるようです。ということで、「紅毛人から冷凍庫一式を抜け荷買い」としか思いつかないことを告白し、お詫びします。

　氷室からの氷運搬での氷を減らさない保温技術の工夫とどちらが安くつくか、金勘定もしてみないといけないようです。

回答No.13

drmuraberg

お礼を拝見して、若旦那あの世に行ってアイスキャンディ屋でも始めるのではと
心配して確認してみました。

エチルアルコールの沸点は78.4℃で気化熱840～855kJ/kgです。
氷の融解温度は0℃で融解熱は334kJ/kgですから、大雑把には1kgの氷を作るには
500gのエチルアルコールを気化させればよい訳で、理論的には可能です。

それにしてもかなりの労力で、当時の頑健な駕籠かきを4人ほど交代でペダルを
踏む必要が有ります。

効率を高めるには、エチルアルコールの代わりにメチルアルコール（メタノール、
沸点64.7℃、気化熱1101kJ/kg）を使うことです。
エタノールの場合の半分程度の労力で氷を作れると思いますが、有毒です。

メタノール（木精）は昔から知られていて、炭焼きの煙を冷却すると取れます。
消毒などに使われていました。以前、日本から炭焼き指導に行った先で瓶に
木精を採っていました。蒸留は簡単です。

たの回答にアンモニアと有りますが、当時アンモニアガスが作れたかははなはだ
疑問です。
アンモニアガスの単離は1774年（江戸時代）です。
アンモニアが必要とされる様になったのは1840年（まだ江戸時代）窒素化合物が
農作物に有用な成分であることがリービッヒ（農芸化学の父）により示されてからです。
当時この需要を満たすためにアンモニアを含む液が、石炭の乾留（コークス製造）
から作られていました。
コークスガスは55%がH2、25%がCH4、10%がN2、5%COで残りの5%にCO2、NH3
（アンモニア）、H2S、C-Hを複数含む化合物、芳香族化合物が含まれています。
残り5%を蒸留してNH3の濃度を高めます。
純度と量共に不十分なので、ようやく1898年（明治時代）にCaC2（カルシウムカーバイド）
とN2（窒素）を反応させCaCN2（カルシウムシアミド）を作り、それに水を加え
アンモニアCN3を作りました。
その後、空気中の窒素からアンモニアを作るハーバーボッシュ法ができました。

もし火薬の原料であった豊富に有る硝石系からアンモニアができるなら、肥料としての
要求が出てきた1840年代のとうの昔に作られていたと思います。50年のブランクには
それなりの理由が有ると思います。

気体分子を熱運動に従ってより分ける、マックスウエルのデーモンが当時いたか
どうかは、河童も生きていた時代ですから何とも言えません。

回答No.12

ORUKA1951

＞あとは、アンモニアの入手ですかね。可能なのは間違いないと思いますが、安く継続的に手に入れられるか。（サイクルとはいえ、加工精度を考えると、どんどん抜けてしまうてしょうから）

　私の冷蔵庫の裏を見てみると、確かに複雑ではありますが、そんなに高度な加工技術は使われていませんね。もう20年以上になりますが健在です。

　アンモニアを入手する方法はありまして・・実は当時その技術はあるのです。

　日本のような雨の多い国で硝石を手に入れるために、人や家畜の糞尿を積み上げて、屋根を葺き土壌のアンモニア生産菌や硝酸生産菌を利用して硝酸塩を得ていたのです。こうして出来たものから化学知識を利用して・・

　実は、過去に持っていって役立つ一番の分野は化学でしょうね。医学も物理も化学がなければ実現不可能。

回答No.11

tetsumyi

N0.9ですが
空気の粘性を利用しているのではありません。
空気分子の遠心力で速度の速い分子は外周に集まり、速度が遅い分子が中央に集まって分離されるということです。
結果的に運動速度が速い分子は高温の空気、運動速度が遅い分子は低温の空気ですから分かれて吹き出します。
その為に－４０度以下の非常に低温の空気を作ることができます。
江戸時代の技術では、これ程の低温は無理でしょうが－１０度程度にすることは難しくないはずです。

お礼

＞空気分子の遠心力で速度の速い分子は外 周に集まり、速度が遅い分子が中央に集 まって分離されるということです。

その説明文は、空気に粘性があることの定性的な説明（空気分子が運動、衝突することで、運動量を交換しあうことで粘性が生まれる）と同じなのでは、と思うのですが。

私には、速い分子ほど遠心力の影響で外に移動する、という説明は納得できません。
少なくとも、もし、空気分子が全く衝突しないとすれば、速度が遅い分子ほど、遠心力の影響が大きい（自分自身の動きに対して、外力である遠心力の影響が相対的に大きい）ので、外側に寄ると思われます。
従って、少なくとも、空気分子同士の衝突（粘性が起こる原因）を考えない限り、その機械の原理を説明することはできないと思います。

一応、誤解のないように言っておきますが、その機械自体が眉唾と言っているわけではないですよ。
少なくとも、熱力学の基本原理に反しているとかではないんで、そうなるかもしれない、とは思います。

ただし、原理の説明文は、眉唾というか、あまりにも簡略化されすぎてて、全く納得できないです。
もう少し、物理的というか、流体力学的な説明をしてほしいです。

補足

というか、個々の空気の分子を考えれば、円筒の壁が回転してても、何の影響も受けないで、ただ真っ直ぐすむだけですから、そもそも、個々の空気分子には遠心力なんてものは全く働かないですよね。

円筒を回転させた結果、中の空気も一緒に回転するのは、粘性の影響以外はありえないです。
これを、ミクロ的に見て、非常に定性的に（要するにかなりごまかして）言えば、壁の近くにいた空気分子が何度も壁に衝突して運動量を交換するたびに、運動の方向が壁の運動の方向に近くなる。その後、他の空気分子と衝突して運動量を交換しあっているうちに、空気の全ての分子の平均的な運動方向が、壁の運動方向に近づく、ということで、これはまさに気体の粘性の定性的な説明そのものです。

回答No.10

ORUKA1951

No.4ですが・・無視されたようで。
　モーターもコンプレッサーも何も要らない、必要なのは重力と熱源とアンモニアだけで氷を作れます。現実的に可能な方法はこれしかないでしょう。
　構造図は
　⇒アンモニア 吸収 冷凍機 - Google 検索( https://www.google.co.jp/search?hl=ja&safe=off&q=%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%A2%E3%83%8B%E3%82%A2%20%E5%90%B8%E5%8F%8E%20%E5%86%B7%E5%87%8D%E6%A9%9F&psj=1&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.r_qf.&bvm=bv.43287494,d.dGY&biw=1015&bih=602&um=1&ie=UTF-8&tbm=isch&source=og&sa=N&tab=wi&ei=JoA2UcKANOTOmgX-4YA4 )
　要は、アンモニア水を加熱して、気化したアンモニアと水を冷やしてその二つを混合すると吸熱しながらアンモニア水に戻る。単純なサイクルで熱源は薪だろうが太陽熱だろうがなんでもよい。
　そもそも原案は1777年ですから、織田信長の生きた時代から200年後、今から240年前・・
　⇒吸収式冷凍機 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%90%B8%E5%8F%8E%E5%BC%8F%E5%86%B7%E5%87%8D%E6%A9%9F )
　⇒アンモニア吸収冷凍機 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%A2%E3%83%8B%E3%82%A2%E5%90%B8%E5%8F%8E%E5%86%B7%E5%87%8D%E6%A9%9F )

お礼

すいません。ちょっと邪魔がはいったので後でと思っただけで、無視したわけではないんですが。、

基本的に、冷媒を循環させる（とくに相変化を伴うサイクル）は、要求される加工精度が厳しそうだな、
という印象はあるのですが、
確かに吸収サイクルであれば、圧力は一定ですから、通常のヒートポンプのサイクルよりは、ずっと楽そうですね。
あとは、アンモニアの入手ですかね。可能なのは間違いないと思いますが、安く継続的に手に入れられるか。（サイクルとはいえ、加工精度を考えると、どんどん抜けてしまうてしょうから）

回答No.9

tetsumyi

No.6ですが、これはジュール・トムソン効果だけではありません。
筒の中に回転するように圧縮空気を吹き込むことで断熱膨張と同時に、空気分子の運動速度のバラツキを利用して速度の低い分子を集める装置です。
回転させることで、速度が速い分子は遠心力で周囲に集まる傾向があり、速度が低い分子は中心部に集まります。
それで径の小さい筒の方には冷たい空気、径の大きい筒の方に熱い空気が噴き出すと言う高い技術使ったものです。
３０年ほど前から実用化されていて、部分的に冷却が必要な一部の現場で使われていました。

お礼

HP見ていませんでした。。

＞回転させることで、速度が速い分子は遠 心力で周囲に集まる傾向があり、速度が 低い分子は中心部に集まります。

うーん。分かるような分からないような。
つまり、空気の粘性率が温度上昇で高くなる、という性質を利用しているということ？
一方で、空気は温度上昇で密度が下がりますから、遠心力がかかる外側に冷たい空気が集まるという性質があるような気もします。（暖かい空気は上に昇るというやつ）
前者の効果がより大きいということ？計算してないので感覚が分かりませんが。

回答No.8

drmuraberg

＜旦那の道楽くらいの元手は使ってもかまいませんが、可能であれば、継続的に、
氷を売って商売をしたい＞の質問には答えていませんでした。

アルコールは酒を最大濃度まで蒸留した物を使います。
ポンプはフイゴや当時の火消しポンプの様なピストン型。
ただし、筒とピストンは金属製で弁は逆止性の高いもので、場合によっては2重弁。
筒とピストンの形状は注射器の様にしてピストン外周と筒内周からの逆流を
押さえ、さらに漏れ防止の為に油（鉱油）で潤滑します。

水とアルコールを入れる容器のイメージは次の様にします。
水は試験管形状の内筒に入れます（できるなら取外し可能）。
それを取り囲む外筒（素焼きでは無い）に半分程のアルコールを入れます。
外筒の上部は空気で、その上は内筒を差し込んだ様に塞いであります。
外筒には排気口が有り、それをポンプに繋ぎます。
（実験室でエタノールで湿った試料を水流ポンプで乾燥していると、結氷を
見ることがあります。水流ポンプ（アスピレータ）の最高減圧度は25℃で
0.03気圧です。それ程高い減ではありません。江戸時代の手作りポンプでも
十分可能な範囲です。）

人力でポンプを動かし、減圧させアルコールを気化させ内筒の水を
凍らせます。
凍ったら、氷を内筒から引出します。内筒に予め割り箸を入れておくと
江戸氷棒の出来上がりです。

継続的に商売をするには、
外筒を良く断熱し（おが屑等を入れた外装容器で）、
排気は水冷してアルコールを回収し(又は水に排気泡をブクブクさせて
アルコールを水に溶かす）、
人力はペダル式にした方がよいでしょう。

いよ～＜裕福な商家の旦那＞！！　頑張ってください。

お礼

うん。いけそうですね。当時の技術水準を考えても実現が厳しそう、というところはないですね。
この方式は、エタノールが比較的安く手に入りそうなところと、完全にサイクルにする必要がない（原理の上では冷媒を回収する必要がない）一方で、７～８割くらいの回収率であれば簡単に実現できそうなんで経済性もある、ということでかなり良さげですね。エタノールなら多少漏れても有害じゃないし、腐食性が弱めなのめ良さげか。

なんか、ジュールトムソンより、こっちのほうが本命な気がしてきました。
ジュールトムソンは、冷房は簡単にできそうですが、０℃まで冷やすのが大変そうなのと、できたとしても空気の比熱が低くて、水を凍らせるのはかなり大変だろうな、とは思うんですよね。

回答No.7

drmuraberg

以前同じ様な質問に答えたことがあります。
否定的な意見が多いようです。

しかし次のURLの回答No.5のエーテルの代わりにエタノール
（酒の蒸留を繰返しアルコール濃度を高めた物、最高エタノール
濃度96重量％、で代用）を使い、江戸の職人のフイゴを改良した
手作りポンプを使えば、比較的簡単にできると思います。
http://okwave.jp/qa/q7367321.html

当時は誰も氷を必要と考えなかった為に無いのだと思います。

お礼

確かに、エタノールでも減圧すれば０℃までいけそうですね。
減圧は、加圧に比べると、難度が高いような気はしますが（要求される加工精度の面でも、フイゴの駆動に必要な力に関しても）、おそらく不可能ではない気がします。

ちなみに、江戸時代でも、旧暦6月朔に、加賀藩が将軍に氷を献上するというのは有名な話ですし、少なくとも寛政年間には江戸市中に氷屋や、氷売りの行商が普通にいました。当然ながら、氷室に貯蔵してあった氷を打っていたわけで、ものすごく高い（一カケラで一分？）んで、庶民にはまず手に入りませんでしたが。

回答No.6

tetsumyi

圧縮空気を噴射して冷風、熱風を取り出す装置があります。
http://www.nihonseiki.com/product_contents/cooler.html
大型の密閉容器に、高性能ふいごを使って圧縮空気を貯めて井戸水で冷やすと１５°程度になります。
この空気を使って井戸水を入れた容器に吹き当てて冷やせば氷ができます。
この装置を、腕の良い職人さんに頼めば作ってくれると思います。

お礼

ジュール・トムソン効果の利用ですね。
色んな回答が欲しかったので、質問文にはあえて自分の考えを書きませんでしたが、個人的には、これが本命かな、と思っていました。
完全なヒートポンプは、冷媒を循環させないといけないんで、密閉等の工作精度がけっこう厳しそうだな、と思いますが、この方法ならフイゴで圧縮して（＆冷して）から吹き出せばいいだけなんで、実現性はかなり高そうですね。効率は悪そうですが、水車なんかが利用できれば、氷室に貯蔵（当時の氷売り）よりは、コスト的にも勝てそうな気がします。

回答No.5

Tacosan

ヒートポンプ, 作れないかなぁ.

お礼

真面目にヒートポンプを作るのは、全く不可能ではないかもしれないけど、なかなか大変だろうな、というのが個人的な印象です。
ハードルは、冷媒の密閉加工の精度と、かなめ部品のコンプレッサーをどう実現するか、にかかってそうですね。もちろん、冷媒として何を使うのか、というのも難しい問題な気はしますが。簡単に手に入って、沸点が室温くらいのものがあればよいが。エーテル？アンモニア？
コンプレッサーは、単純な逆止弁つきのフイゴでよい？
全く不可能ではないような気はするのですが、氷室に氷貯蔵の当時の氷売りに対して、コスト的に勝てるか、は微妙かなという気はします。。